DE102018200976A1

DE102018200976A1 - Verfahren zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit, Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit, Steuereinheit, Ladesystem, Batteriesystem und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018200976A1
Application number: DE102018200976.7A
Authority: DE
Inventors: Björn Rumberg; Ina Stradtmann; Hannes Jahnke; Andreas Lemke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2019-07-25
Also published as: CN110071339A

Abstract

Verfahren (S) zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit (10) mit möglichst kurzer Ladezeit unter Vermeidung der Gefahr des Lithiumplatings mit den Schritten Bestimmen (S1) eines aktuellen Werts einer Überpotentialreserve (U(t)) einer Anode der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10), Bestimmen (S2) eines aktuellen Werts eines Innenwiderstands (R(t)) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10), Bestimmen (S3) eines Werts eines Quotienten aus dem aktuellen Wert der Überpotentialreserve U(t) und dem aktuellen Wert des Innenwiderstands R(t) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10) und Einstellen (S4) einer Stärke und/oder eines zeitlichen Verlaufs zumindest eines Ladestroms I(t) entsprechend dem Wert des Quotienten gemäß der BeziehungDie vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Laden, eine Steuereinheit (50) zum Steuern des Ladens, ein Ladesystem (110), ein Batteriesystem (100) und eine Arbeitsvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit, ein Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit, eine Steuereinheit zum Steuern des Ladens, ein Ladesystem zum Laden, ein Batteriesystem sowie eine Arbeitsvorrichtung.
In jüngster Zeit werden vermehrt Batteriesysteme zur Versorgung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen zu deren Betrieb eingesetzt. Dabei haben auf einer Lithiumionenchemie basierende Batterieeinheiten auf Grund ihrer hohen Energiedichte und Kapazität eine besondere Bedeutung. Problematisch bei derartigen Batterieeinheiten sind Sicherheitsfragen, die auch im Zusammenhang mit dem Ladebetrieb beachtet werden müssen. In Abhängigkeit von den Umgebungs- und Betriebsbedingungen sowie vom Alter der jeweiligen Batterieeinheit darf der aufgebrachte Ladestrom eine bestimmte maximale Grenze nicht überschreiten, damit es nicht zur Ablagerung von Lithium an der Anode, dem so genannten Lithiumplating, kommt.
Die DE 11 2010 005 906 T5 beschreibt ein Batteriesteuerungssystem, welches in der Lage ist, eine Sekundärbatterie geeignet zu laden, während eine Ablagerung metallischen Lithiums an der negativen Elektrodenplatte unterdrückt wird.
Die DE 10 2013 204 507 20 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle mit Lithiumablagerungssicherheitsfunktion zum Feststellen eines kritischen Batteriezustands und zum Überführen der Batterie in einen sicheren Betriebsmodus.
Die DE 10 2015 111 195 A1 offenbart ein Ladeverfahren für Lithiumionenbatterien zum adaptiven Laden einer wiederaufladbaren Batterie, bei welchem der Ladestrom an einen Parameter der Batterie angepasst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit, ein Verfahren zum Laden einer derartigen Batterieeinheit, eine Steuereinheit zum Steuern des Ladens, ein Ladesystem, ein Batteriesystem sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug zu schaffen, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln in flexibler Weise das Laden einer auf Lithiumionenchemie basierenden Batterieeinheit durch Einstellen eines optimalen Ladestroms besonders effektiv gestaltet werden kann, um insbesondere die Ladezeit möglichst kurz zu halten.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird alternativ durch die Gegenstände mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 und 12 bis 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Ladens einer auf einer Lithiumionenchemie basierenden Batterieeinheit geschaffen, welches die Schritte aufweist

(i) Bestimmen eines aktuellen Werts einer Überpotentialreserve U(t) einer Anode der zu Grunde liegenden Batterieeinheit,
(ii) Bestimmen eines aktuellen Werts eines Innenwiderstands R(t) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit,
(iii) Bestimmen eines Werts eines Quotienten aus dem aktuellen Wert der Überpotentialreserve U(t) und dem aktuellen Wert des Innenwiderstands R(t) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit und
(iv) Einstellen einer Stärke und/oder eines zeitlichen Verlaufs zumindest eines Ladestroms I_Lade (t) entsprechend dem Wert des Quotienten gemäß der Beziehung (I) $I_{L a d e} (t) : = \frac{U (t)}{R (t)} .$

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann unter dem Begriff der Überpotentialreserve der Anode das Vermögen der Anode verstanden werden, eine gewisse Überspannung zu tolerieren, ohne dass das Anodenpotential negativ wird. Messtechnisch entspricht die Überpotentialreserve U(t) der Anode im Gleichgewichtszustand der Gleichgewichtsspannung der Anode gegen Lithium - also einem Wert V_neg /V vs. Li/Li⁺- und kann zum Beispiel durch eine Messung einer Halbzellenanode gegen eine Lithiumelektrode bestimmt werden, also z.B. mittels einer Messung zur Bestimmung der Spannung OCV bei offenem Batteriekreis (OCV : Open-Circuit-Voltage).
Erfindungsgemäß wird durch die oben beschriebenen Maßnahmen (i) bis (iv) erreicht, dass unter Ausnutzung des zu einem gegebenen Zeitpunkt aktuellen Werts der Überpotentialreserve der Anode der Batterieeinheit und des zu diesem gegebenen Zeitpunkt aktuellen Werts des Innenwiderstands der Batterieeinheit oder diesen Werten nahekommender Schätzwerte der zum Laden der Batterieeinheit aufzubringende Ladestrom eingestellt wird. Der so eingestellte Wert des Ladestroms liefert ein optimales Ladeergebnis, bei welchem der Ladevorgang so betrieben wird, dass ein Lithiumplating gerade noch nicht auftritt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die oben genannten Schritte (i) bis (iv) in Echtzeit derart wiederholt ausgeführt, dass ein aktueller Wert des Ladestroms während eines Ladevorgangs an aktuelle Werte der Überpotentialreserve und des Innenwiderstands der zu Grunde liegenden Batterieeinheit angepasst wird, ist und/oder bleibt.
Dieser Vorgang kann insbesondere solange erfolgen, wie eine Ladebedingung erfüllt ist. Die Ladebedingung kann aus einer oder aus mehreren Einzelbedingungen bestehen und insbesondere die Notwendigkeit des Ladens der zu Grunde liegenden Batterieeinheit beschreiben, zum Beispiel auf der Grundlage eines Unterschreitens eines unteren Schwellenwerts des Ladezustands der zu Grunde liegenden Batterieeinheit. Die Ladebedingung kann im Fahrzeug auch z.B. bei Rekuperation von Bremsenergie erfüllt sein.
Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die notwendigen Werte der Überpotentialreserve der Anode der Batterieeinheit und/oder des Innenwiderstands der Batterieeinheit zu ermitteln.
Es kann sich dabei um direkte Messungen oder auch um indirekte Verfahren handeln, die auf Grund von Zustands- und/oder Betriebsparametern der zu Grunde liegenden Arbeitsvorrichtung, des zu Grunde liegenden Fahrzeugs und/oder der zu Grunde liegenden Batterieeinheit aktuelle Werte der Überpotentialreserve der Anode der Batterieeinheit und/oder des Innenwiderstands der Batterieeinheit bestimmen und insbesondere schätzen.
So ist es bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein aktueller Wert der Überpotentialreserve direkt aus einer Spannungsmessung bestimmt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass ein aktueller Wert der Überpotentialreserve durch direktes Messen einer Anodenspannung einer Anode der Batterieeinheit unter der Bedingung eines offenen Batteriekreises bestimmt wird, also nach Art einer Leerlaufspannung der Batterieeinheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert besonders genaue Ergebnisse für den aktuellen Wert der Überpotentialreserve, wenn dieser durch direktes Messen der elektrischen Spannung einer Halbzellanode der Batterieeinheit im Gleichgewicht gegenüber einer Lithiumelektrode bestimmt wird.
Auch für die Bestimmung des Innenwiderstands der zu Grunde liegenden Batterieeinheit ergeben sich unterschiedliche verfahrenstechnische Vorgehensweisen, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Besonders einfache Verhältnisse mit einem gleichwohl hohen Grad an Zuverlässigkeit stellen sich ein, wenn auf der Grundlage einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wert des Innenwiderstandes direkt aus einer Strommessung und einer Spannungsmessung bestimmt wird.
Dies kann zum Beispiel auf einfache Weise durch Anlegen und gegebenenfalls Messen eines Pulses konstanten Stroms an der Batterieeinheit und Messen einer Spannungsantwort der Batterieeinheit erfolgen.
Um auch komplexere Zusammenhänge im Verhalten einer Batterieeinheit erfassen zu können, kann gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wert des Innenwiderstandes auch bestimmt werden auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen dem Verlauf einer im Gleichgewicht erfassten Leerlaufspannung der Batterieeinheit und einer Ladekurve.
Besonders zuverlässige Korrekturmöglichkeiten und eine geeignete Berücksichtigung einer stetigen Veränderung der Verhältnisse der Batterieeinheit im Betrieb ergeben sich bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dann, wenn ein Wert des Innenwiderstandes bestimmt wird auf der Grundlage eines Werts des Innenwiderstands im Betrieb zum aktuellen Zeitpunkt, eines Wert des Innenwiderstands im Betrieb zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme (BoL : begin of life) der Batterieeinheit und eines Werts des Innenwiderstands zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit.
Insbesondere ist in diesem Zusammenhang eine einfache und zuverlässige numerische Bestimmung aus den ermittelten Werten möglich, wenn ein Wert des Innenwiderstandes der Batterieeinheit bestimmt wird auf der Grundlage der Beziehung (II) $R (t) = R_{B o L} + b \cdot (R_{B e t r i e b} (t) - R_{B e t r i e b, B o L}),$
wobei R(t) den zu bestimmenden Wert des Innenwiderstands der Batterieeinheit zum aktuellen Zeitpunkt t, R_Betrieb (t) einen Wert des Innenwiderstands im Betrieb zum aktuellen Zeitpunkt t, R_Betrieb,BoL einen Wert des Innenwiderstands zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit, R_BoL einen Wert des Innenwiderstands zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit und b eine Proportionalitätskonstante bezeichnen. R(t) ist hier genauso wie R_BoL eine Größe, die abhängig vom SoC ist. Auch kann sie z.B. abhängig sein vom Strom, der Temperatur, der mechanischen Verspannung der Zelle sein. Die SoC-Abhängigkeit ist dabei wesentlich.
Dabei bietet es sich an, die Proportionalitätskonstante b gemäß der Beziehung (III) zu bestimmen: $\begin{matrix} b : = \frac{Δ R_{B e t r i e b} (t)}{Δ R} & bzw . & b : = \frac{Δ {\bar{R}}_{B e t r i e b} (t)}{Δ \bar{R}} \end{matrix},$
nämlich als Quotient der Änderung des Werts des im Betrieb aktuell gemessenen Innenwiderstands R_Betrieb (t) gegenüber der Änderung ΔR des Werts des Innenwiderstands R oder alternativ gegenüber der Änderung ΔR des Mittelwerts R des Innenwiderstands von R. Der Mittelwert von R als Alternative ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die oben genannten Abhängigkeiten eine Rolle spielen. Ohne deren Berücksichtigung ist R ein Skalar.
Neben den direkt messenden Verfahren, die auf Spannungsmessungen und Strommessungen an der Batterieeinheit zugreifen, bieten sich auch indirekte Bestimmungsverfahren an.
So ist es gemäß einer alternativen Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, einen aktuellen Wert der Überpotentialreserve und/oder einen aktuellen Wert des Innenwiderstandes der Batterieeinheit indirekt zu bestimmen, insbesondere durch Auslesen von Werten aus einer Ablesetabelle und/oder mit Adressierung über aktuell gemessene Zustandsparameter und/oder Betriebsparameter der Batterieeinheit.
Dabei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn in einem vorangestellten Vorverfahren die zu Grunde liegende Batterieeinheit hinsichtlich ihres Zusammenhangs von Überpotentialreserve und Innenwiderstand vorvermessen wird, insbesondere um die Ablesetabelle zusammenzustellen.
Als aktuell gemessene Zustandsparameter und/oder Betriebsparameter zum Adressieren des Auslesens aus einer Ablesetabelle können Werte einer oder mehrerer Größen aus der Gruppe von Größen verwendet werden, welche einen Ladezustand der Batterieeinheit, eine Ladezeit an der Batterieeinheit, einen Ladestrom der Batterieeinheit, eine Lebensdauer der Batterieeinheit, insbesondere seit absoluter Inbetriebnahme, einen Druck und/oder eine mechanische Verspannung der Batterieeinheit und eine Temperatur der Batterieeinheit aufweist. Es können zusätzlich oder alternativ auch andere physikalische und/oder chemische Größen zur Parametrisierung und Bestimmung von Überpotentialreserve und Innenwiderstand der Batterieeinheit herangezogen werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Laden einer, insbesondere auf einer Lithiumionenchemie basierenden, Batterieeinheit geschaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte Bereitstellen eines Ladestroms und Beaufschlagen der Batterieeinheit mit dem Ladestrom auf. Der Ladestrom kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eingestellt werden. Das Einstellen des Ladestroms kann dabei nach Art eines Steuerns (open loop control) oder nach Art eines Regelns (closed loop control) mit einer Nachführung unter Berücksichtigung weiterer beeinflussender Größen erfolgen.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine Steuereinheit zum Steuern des Ladens und insbesondere eines Ladestroms zum Laden einer, insbesondere auf einer Lithiumionenchemie basierenden, Batterieeinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern des Ladens und insbesondere des Ladestroms einer Batterieeinheit auszuführen und/oder bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit verwendet zu werden.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit kann als Batteriemanagementsystem oder als Teil davon ausgebildet sein.
Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Ladesystem zum Laden einer insbesondere auf einer Lithiumionenchemie basierenden Batterieeinheit. Das Ladesystem ist dazu eingerichtet, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Ladens verwendet und/oder gesteuert zu werden, bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laden verwendet zu werden und/oder ein derartiges Verfahren auszuführen.
Insbesondere weist das Ladesystem eine mit der Batterieeinheit verbindbare Ladeeinheit auf, welche zum Bereitstellen eines Ladestroms und zum Beaufschlagen der Batterieeinheit mit dem Ladestrom ausgebildet ist. Ferner ist Bestandteil des Ladesystems eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Ladeeinheit.
Vorgeschlagen wird durch die vorliegende Erfindung auch ein Batteriesystem, welches mit mindestens einer Batterieeinheit und mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Ladesystem ausgebildet ist, welches zum steuerbaren Laden der Batterieeinheit und zur steuerbaren elektrischen Verbindung mit der Batterieeinheit eingerichtet ist.
Schließlich ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche als Fahrzeug ausgebildet sein kann und/oder welche mit einem elektrisch antreibbaren Aggregat und einem erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriesystem ausgebildet ist. Dabei ist das Batteriesystem zur steuerbaren Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb eingerichtet. Bei dem Aggregat kann es sich zum Beispiel um einen Antrieb oder einen Teil eines Antriebs handeln.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.

1 zeigt in Kombination aus Blockdiagramm und Flussdiagramm eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, mit erfindungsgemäßem Ladesystem und mit erfindungsgemäßer Steuereinheit, welche eingerichtet sind, Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern und zum Laden auszuführen.
2 bis 6B zeigen in Form von Graphen Aspekte von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern und Laden.
7 zeigt in Kombination aus Blockdiagramm und Flussdiagramm eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit.
8 und 9 zeigen in Form von Blockdiagrammen andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems, des Ladesystems und der Steuereinheit.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt in Kombination aus Blockdiagramm und Flussdiagramm eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 mit einem erfindungsgemäßen Ladesystem 110 und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit 50, welche eingerichtet sind, Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren S zum Steuern des Ladens und/oder zum Laden auszuführen.
Das in 1 dargestellte Batteriesystem 100 wird gebildet von einem erfindungsgemäß aufgebauten Ladesystem 110 und einer über erste und zweite Ladeleitungen 1, 2 daran angeschlossenen Batterieeinheit 10. Die ersten und zweiten Ladeleitungen 1, 2 sind mit ihren ersten Enden an ersten und zweiten Anschlüssen 11 bzw. 12 der Batterieeinheit 10 und mit zweiten Enden an ersten und zweiten Anschlüssen 41 bzw. 42 einer Ladeeinheit 40 angeschlossen, die auch als Ladegerät bezeichnet werden kann. Die Ladeeinheit 40 ist dazu eingerichtet, auf ein Steuersignal hin, welches über eine Steuerleitung 53 zugeführt wird, einen entsprechenden Ladestrom I_Lade zum Laden der Batterieeinheit 10 zu generieren und über die ersten und zweiten Ladeleitungen 1 und 2 der Batterieeinheit 10 mittels der Anschlüsse 11 und 12 zuzuführen.
Um den Ladestrom I_Lade zum Laden der Batterieeinheit 10 seinem Wert nach einzustellen ist eine Steuereinheit 50 in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen. Die Steuereinheit 50 ist in der Lage, über eine Erfassungs- und Steuerleitung 54 und über erste und zweite Signalleitungen 51 bzw. 52, die mit den ersten und zweiten Ladeleitungen 1 und 2 verbunden sind, bestimmte Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter der Batterieeinheit 10 zu erfassen, auf deren Grundlage einen Wert für den Ladestrom I_Lade zu generieren und über die Steuerleitung 53 der Ladeeinheit 40, zum Beispiel in Form eines entsprechenden Steuersignals, zuzuführen.
In der Steuereinheit 50 selbst läuft einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens S zum Steuern des Ladens und insbesondere des Ladestroms I_Lade zum Laden der Batterieeinheit 10 ab.
Zunächst wird in einem vorangestellten Überprüfungsschritt S0 ermittelt, ob eine Ladebedingung erfüllt ist. Die Ladebedingung kann aus einer oder mehreren Einzelbedingungen bestehen und gibt an, ob die zu Grunde liegende Batterieeinheit 10 überhaupt zu laden ist.
Ist die Ladebedingung nicht erfüllt, entsprechend einem „nein“ im Schritt S0, so wird das eigentliche Verfahren S zum Steuern des Ladens und/oder des Ladestroms verlassen und zu einem übergeordneten Verarbeitungsschritt zurückgekehrt.
Ist die Ladebedingung dagegen erfüllt, entsprechend einem „ja“ im Schritt S0, so werden die nachfolgenden Schritte S1 bis S4 mit Rücksprung zum Schritt S0 abgearbeitet.
Zunächst wird im Schritt S1 in der erfindungsgemäßen Weise der aktuelle Wert U(t) der Überpotentialreserve der Anode der Batterieeinheit 10 ermittelt, sei dies durch direkte Messung oder indirekt über eine Ablesetabelle.
Im nachfolgenden Schritt S2 wird der aktuelle Wert des Innenwiderstands R(t) der Batterieeinheit 10 ermittelt.
Im darauf folgenden Schritt S3 wird durch entsprechende Quotientenbildung - insbesondere unter Ausnutzung des Ohmschen Gesetzes - der aktuelle Wert des Ladestroms I_Lade berechnet.
In dem sich daran anschließenden Schritt S4 wird die Stärke des tatsächlichen Ladestroms I_Lade eingestellt, insbesondere durch Übergabe eines für den Wert des Ladestroms I_Lade repräsentativen Steuersignals an die Ladeeinheit 40 unter Verwendung der Steuerleitung 53.
Die 2 bis 6B zeigen in Form von Graphen 20, 25, 30, 35, 60, 65 Aspekte von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren S zum Steuern des Ladens und/oder zum Laden einer Batterieeinheit 10.
2 zeigt beispielhaft in einem Graphen 20 mit Abszisse 21, auf welcher der Wert des Ladezustands SoC in % aufgetragen ist, und mit Ordinate 22, auf welcher der Wert der Überpotentialreserve U(t) der Anode der Batterieeinheit 10 in relativen Einheiten aufgetragen ist, mittels der Spur 23 den vom Ladezustand SoC abhängigen Wert der Überpotentialreserve U(t) der Anode der zu Grunde liegenden Batterieeinheit 10. Es ergibt sich ein Verlauf, bei welchem die Überpotentialreserve U(t) in etwa monoton mit steigendem Wert des Ladezustands SoC fällt.
3 zeigt beispielhaft in einem Graphen 25 mit Abszisse 26, auf welcher der Wert des Ladezustands SoC in % aufgetragen ist, und mit Ordinate 27, auf welcher der Wert der des Innenwiderstands R(t) der Batterieeinheit 10 in relativen Einheiten aufgetragen ist, mittels der Spuren 28-1 bis 28-3 23 den vom Ladezustand SoC abhängigen Wert des Innenwiderstands R(t) der Anode der zu Grunde liegenden Batterieeinheit 10, und zwar in Abhängigkeit steigender Alterung, welche durch die Richtung des Pfeils 29 symbolisiert ist.
4 zeigt schematisch anhand eines Graphen 30 Grundaspekte zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors b für die Anpassung des Werts des Innenwiderstands R(t), insbesondere auf der Grundlage der Beziehungen (III) und (5). Auf der Abszisse 31 ist der gemittelte Widerstand aufgetragen, auf der Ordinate 32 der im Betrieb ermittelte Innenwiderstand R_Betrieb . Es sind jeweils Messpunkte 34 und deren Ausgleichsgerade 33 eingezeichnet. Die Ausgleichsgerade 33 dient der Bestimmung des Proportionalitätsfaktors b aus dem Steigungsdreieck.
5 zeigt beispielhaft in einem Graphen 35 mit Abszisse 36, auf welcher der Wert des Ladezustands SoC in % aufgetragen ist, und mit Ordinate 37, auf welcher der Wert des Ladestroms I_Lade der Batterieeinheit 10 in relativen Einheiten aufgetragen ist, mittels der Spuren 38-1 bis 38-3 den vom Ladezustand SoC abhängigen Wert des Ladestroms I_Lade der Batterieeinheit 10, und zwar in Abhängigkeit von einem steigenden Innenwiderstand R(t), dessen Anstieg durch die Richtung des Pfeils 39 symbolisiert ist.
Die 6A und 6B zeigen in Form von Graphen 60 und 65 Aspekte zur Bestimmung des Innenwiderstands R(t) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit 10. Der Batterieeinheit 10 wird ein Strompuls, wie im Graphen 60 der 6A mittels der Spur 63 dargestellt ist, aufgeprägt. Es ergibt sich die in 6B im Graphen 65 mit Spur 68 gezeigte Spannungsantwort der Batterieeinheit 10.
Im Graphen 60 ist auf der Abszisse 61 die Zeit t und auf der Ordinate 62 der Wert des aufgeprägten Stroms / aufgetragen. Der elektrische Strom geht zu einem Zeitpunkt t₀ von einem Wert I₀ zu einem erhöhten Wert I₁ über und kehrt zu einem späteren Zeitpunkt t₁ zum Ursprungswert I₀ zurück.
Im Graphen 65 ist auf der Abszisse 66 die Zeit t und auf der Ordinate 67 der Wert der Batteriespannung U aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass sich mit den Wechseln der Stromamplitude zu den Zeitpunkten t₀ und t₁ entsprechende Lade- und Entladekurven einstellen, nämlich mit entsprechenden Werten Uo, U₁ ', U₁ , U₂ zu den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₀ , t₁ ', t₁ , t₂ , welche im Zusammenhang mit den Beziehungen (2) und (3) ausgewertet werden können, wie dies weiter unten im Detail beschrieben wird.
7 zeigt in Kombination aus Blockdiagramm und Flussdiagramm eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens T zum Steuern des Ladens und/oder zum Laden einer Batterieeinheit 10.
In einem ersten Schritt T1 wird die Überpotentialreserve U(t) der Anode der Batterieeinheit 10 als Grundgröße oder Basisfunktion bestimmt, insbesondere wird ein ehemaliger aktueller Wert ermittelt und bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird der Innenwiderstand R(t) der Batterieeinheit 10 ermittelt und bereitgestellt, insbesondere hinsichtlich eines jeweils zu einem Zeitpunkt t aktuellen Werts. In den Schritten T4-1 bis T4-3 werden der Wert des Innenwiderstands R_Betrieb,BoL der Batterieeinheit 10 im Betrieb zum absoluten Betriebsbeginn (BoL, begin of life), der aktuelle Wert des Innenwiderstands R_Betrieb der Batterieeinheit 10 im Betrieb sowie die relative Änderung dieser Größen zueinander ermittelt. Im Schritt T4-4 wird der oben bereits beschriebene Proportionalitätsfaktor b ermittelt und über eine Multiplikation im Schritt T4-5 dem im Schritt T2 ermittelten Wert des Innenwiderstands R(t) der Batterieeinheit 10 im Schritt T4-6 durch Summation hinzugefügt. Im nachfolgenden Schritt T3 wird dann die Quotientenbildung zum optimierten Ladestroms I_Lade (t) durchgeführt.
Die 8 und 9 zeigen in Form von Blockdiagrammen andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriesystems 100, des Ladesystems 110 und der Steuereinheit 50.
Bei der Ausführungsform gemäß 8 besteht die Batterieeinheit 10 aus einer einzelnen Lithiumionenzelle. Dem Ladegerät 40 wird über die Steuerleitung 53 mit einem entsprechenden Steuersignal der Sollwert für den Ladestrom I_Lade (t) zeitabhängig zugeführt. Dazu weist die Steuereinheit 50 einen Regler 45 auf. Die Steuereinheit 50 wird über entsprechende Erfassungs- und Steuerleitungen 54 über Sensoren 13 mit entsprechenden Steuersignalen, zum Beispiel einer Istspannung, einer Temperatur und einem Iststrom versorgt, auf deren Grundlage dann der Wert des Steuersignals für den einzustellenden Ladestrom I_Lade (t) erfindungsgemäß bestimmt werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 weist im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 8 die zu Grunde liegende Batterieeinheit 10 eine Mehrzahl von Lithiumionenzellen auf. Jede einzelne Lithiumionenzelle der Batterieeinheit 10 ist mit einem Satz von Sensoren 13 ausgebildet, die ihre Werte über entsprechende Erfassungs- und Steuerleitungen 54 der Steuereinheit 50 zuführen, wobei die Steuereinheit 50 hier nach Art eines Reglers oder eines Batteriemanagementsystems 46 oder als Teil davon ausgebildet sein kann.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen und auf der Grundlage möglicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter erläutert:
Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem auch ein Verfahren S zur Bestimmung und insbesondere zur Berechnung eines verbesserten oder optimalen Ladestroms I_Lade für Lithiumionenzellen 10 aus einer Grundgröße oder Basisfunktion, z.B. auch der Leerlaufspannung U(t) oder OCV (engl.: open circuit voltage) an der Anode, also der Anodenspannung bei offenem Stromkreis, und dem SoC-abhängigen (SoC : state of charge; engl. für Ladezustand) Innenwiderstand R(t) der jeweiligen Batteriezelle, aufgefasst als Batterieeinheit 10, insbesondere mit Anpassung des Ladestroms I_Lade bei fortgeschrittener Alterung der Batteriezelle 10.
Entscheidend für die Nutzung einer Batteriezelle 10 sind die verfügbare Kapazität sowie die maximal abrufbare Leistung. Im Laufe der Zeit sowie durch Lade- und Entladevorgänge sinkt die Kapazität (SoH : state of health) und der Innenwiderstand R(t) steigt, womit die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle 10 sinkt, allgemein bekannt als Alterung bzw. Lebensdauer.
Das Laden und insbesondere das Schnellladen führen zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezelle 10. Heutzutage nimmt die Bedeutung des Schnellladens für eine verbesserte Alltagstauglichkeit von Elektrofahrzeugen zu. Um die negativen Effekte dieser Schnellladung bei minimaler Ladedauer zu minimieren, ist eine optimierte Ladestrategie notwendig.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass Lade- und Entladevorgänge einer Batteriezelle 10 eine Alterung der Batteriezelle 10 zur Folge haben. Auch die besondere Schädigung durch Schnellladen - unter anderem durch das so genannte Lithiumplating - ist bekannt.
Lithiumplating, also die Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anodenoberfläche beim Laden der Batteriezelle 10, führt zur Alterung von Lithiumionenzellen 10 und ist daher zu vermeiden. Lithiumplating erfolgt, sobald das Potential der Anode gegen Lithium - also V_neg/V vs. Li/Li⁺ - unter einen Wert von 0 V sinkt.
Überspannungen beim Laden verringern das Anodenpotential und führen dazu, dass während des Ladevorgangs das Potential an der Anode unter einen Wert von 0 V sinken kann.
Wann diese Bedingungen erreicht werden, hängt von verschiedenen Bedingungen ab.
Neben der Materialeigenschaften der Zelle 10 sind auch weitere Betriebsbedingungen - wie Ladestrom, Ladezustand (SoC : State of Charge) und Temperatur - entscheidend.
Um Lithiumplating - also das Abscheiden metallischen Lithiums an der Anode - zu vermeiden, kann der Ladestrom I_Lade reduziert werden, wodurch die notwendige Ladezeit erhöht wird.
Die Anode besitzt jedoch eine so genannte Überpotentialreserve, die es ermöglicht, eine gewisse Überspannung - hier mit U(t) bezeichnet - zu tolerieren, ohne dass das Anodenpotential negativ wird.
Diese Überpotentialreserve U(t) ist bei niedrigem Ladezustand SoC größer als bei höherem Ladezustand, wie dies auch aus 2 deutlich wird. Folglich ist bei niedrigem Ladezustand SoC ein höherer Ladestrom I_Lade tolerierbar, ohne dass das Potential an der Anode unter einen Wert von 0 V sinkt.
Die maximale Ladezeitverkürzung - ohne dass Lithiumplating auftritt - wird erzielt, wenn das Anodenpotential während des gesamten Ladevorgangs einen Wert von 0 V annimmt.
Der maximale Ladestrom könnte zwar auch mit Hilfe einer Referenzelektrode und/oder unter Verwendung einer Experimentalzelle bestimmt werden.
Hierbei würde das Anodenpotential während des Betriebs gemessen und so der maximal tolerierbare Ladestrom in Abhängigkeit vom Ladezustand SoC und von der Temperatur bestimmt werden. Dies ist jedoch wegen der zusätzlich notwendigen Referenzelektrode und ggf. dem Aufbau einer Experimentalzelle mit einem erhöhten Messaufwand verbunden. Zusätzlich weichen Experimentalzellen in ihrem Verhalten und/oder ihrer Geometrie von der in der Anwendung (z.B. BEV: battery electric vehicle) verwendeten Zelle ab. Auch beeinflusst die Referenzelektrode potentiell das elektrochemische Verhalten der eigentlichen Zelle. Aus diesen Gründen ist eine Übertragbarkeit der Messergebnisse auf die Zelle in der Anwendung (z.B. BEV) schwierig. Außerdem verändern sich die optimalen Betriebsbedingungen mit fortschreitender Alterung der Zelle.
Lösungen mit Referenzelektroden und/oder auf der Grundlage von Experimentalzellen berücksichtigen diese Änderungen nicht.
Dies kann zum einen dazu führen, dass der Ladestrom erhöht werden könnte, ohne dass das Anodenpotential unter einen Wert von 0 V sinkt. In diesem Fall ist das Reduzierungspotential für die Ladezeit nicht voll ausgeschöpft. Zum anderen kann es aber auch dazu führen, dass das Anodenpotential unter einen Wert von 0 V sinkt und die Zelle irreversibel geschädigt wird.
Zur Berechnung eines optimierten Ladestroms I_Lade wird erfindungsgemäß die Überpotentialreserve U(t) der Anode als Grundgröße oder Basisfunktion erfasst, z.B. in Abhängigkeit vom Ladungszustand SoC der Batteriezelle 10 und/oder ggf. von weiteren Größen wie z.B. der Temperatur und/oder der Alterung der zu Grunde liegenden Batteriezelle 10.
Hierzu kann zum Beispiel die Überpotentialreserve U_neg := U_neg(SoC, T, ...) der Anode verwendet werden. Diese kann z.B. durch die Messung der Anoden-OCV oder Leerlaufspannung der Anode bestimmt werden, wie dies im Zusammenhang mit 2 dargestellt ist.
Des Weiteren werden der Innenwiderstand R(t) der Zelle 10 und insbesondere der Innenwiderstand R(t) in Laderichtung und/oder nur der Anteil des Innenwiderstandes, der durch den Interkalationsprozess der Lithiumionen in die Anode entsteht, in Abhängigkeit vom Ladezustand SoC, also insbesondere im Sinne von R := R(SoC), erfasst.
Vorzugsweise wird jedoch alternativ oder zusätzlich eine Abhängigkeit von der Ladezeit t, vorzugsweise im Zeitbereich von Millisekunden bis Stunden, vom Ladestrom I, von der Temperatur T und vom Ladezustand SoC erfasst, wie dies im Zusammenhang mit 3 dargestellt ist, insbesondere also im Sinne von R := R(SoC,T,t,I).
Der SoC-abhängige Innenwiderstand R(t) kann zum Beispiel durch die Spannungsdifferenz zwischen einer im Gleichgewichtszustand aufgenommenen OCV-Kurve und einer Ladekurve der zu Grunde liegenden Batteriezelle 10 bestimmt werden.
Der optimierte Ladestrom I_Lade , mit dem die zu Grunde liegende Batteriezelle 10 zu laden ist, ergibt sich als Quotient aus dem Wert der ermittelten Überpotentialreserve U(t) als Grundgröße oder Basisfunktion und dem Wert des Innenwiderstands R(t) gemäß der Beziehung (1) und insbesondere nach dem Ohm'schen Gesetz: $I_{L a d e} (t) : = \frac{U (t)}{R (t)} .$
Dadurch wird der Ladestrom I_Lade auf ein Maximum optimiert, ohne dass das Anodenpotential über den gesamten Ladevorgang gerade nicht unter 0 V sinkt und also die Bedingung V_neg/V vs. Li/Li⁺ ≥ 0 erfüllt ist. Als Folge davon wird die Ladezeit minimiert.
Für die Anwendung im Zellbetrieb kann der Ladestrom I_Lade optional mit fortschreitender Alterung der zu Grunde liegenden Zelle angepasst werden. Der Innenwiderstand R kann in Abhängigkeit von der Ladezeit t, dem Strom I, dem Druck p und/oder der Verspannung, der Temperatur T und/oder dem Ladezustand SoC bestimmt werden.
Es besteht auch die Möglichkeit der Bestimmung des Werts nur für einen quasistationären Zustand, das heißt zum Beispiel ohne Abhängigkeit von der Ladezeit t, dem Strom I, dem Druck p und/oder der Verspannung, der Temperatur T und/oder dem Ladezustand SoC.
Eine beispielhafte Methode zur Bestimmung des Innenwiderstandes R im Betrieb ist im Zusammenhang mit 7 dargestellt.
Der Innenwiderstand R_Betrieb aus dem Betrieb der zu Grunde liegenden Batteriezelle 10 ergibt sich dort durch die Beziehungen (2) und (3), nämlich mit $R_{B e t r i e b} : = \frac{U'_{1} - U_{0}}{I'_{1} - I_{0}}$
$R_{B e t r i e b} : = \frac{U_{1} - U_{2}}{I_{1} - I_{2}}$
wobei die zugehörigen Zeiten t₁', t₁ , t₂ Werte im Bereich von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden annehmen können.
Die Bestimmung des Innenwiderstandes R_Betrieb im Betrieb kann auch durch eine beliebige andere Methode durchgeführt werden, die bereits bekannt ist oder noch entwickelt wird.
Aus der Änderung des im Betrieb, z.B. im Fahrzeug, gemessenen Innenwiderstandes R_Betrieb gegenüber dem im Betrieb zu BoL (BoL: Begin of Life; engl. für Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme) gemessenen Innenwiderstandes R_Betrieb,BoL kann mithilfe des Widerstands R_BoL zu BoL, also dem Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batteriezelle 10, der in Abhängigkeit von der Ladezeit t, dem Strom I, dem Druck p (der Verspannung), der Temperatur T und/oder dem Ladezustand SoC aufgefasst werden kann, und einem Proportionalitätsfaktor b der Innenwiderstand R, der ebenfalls als abhängig von der Ladezeit t, dem Strom I, dem Druck p (der Verspannung), der Temperatur T und/oder dem Ladezustand SoC aufgefasst werden kann, im Betrieb abgeschätzt werden, z.B. auf der Grundlage der Beziehung (4): $R (t) = R_{B o L} + b \cdot (R_{B e t r i e b} (t) - R_{B e t r i e b, B o L}) .$
Der Proportionalitätsfaktor b kann z.B. durch vorgelagerte Messungen an einer Batteriezelle, vorzugsweise des gleichen Zelltyps, bestimmt werden.
Hierzu kann der Wert des Innenwiderstandes R, der wieder als abhängig von der Ladezeit t, dem Strom I, dem Druck p (der Verspannung), der Temperatur T und/oder dem Ladezustand SoC aufgefasst werden kann, über die Alterung der Batteriezelle 10 wiederholt gemessen werden, wie dies im Zusammenhang mit 3 dargestellt ist.
Im Anschluss an diese Messungen wird der noch Widerstand bestimmt, wie er im Betrieb gemessen werden könnte. Der Proportionalitätsfaktor b ergibt sich aus dem Quotienten der Änderung von R_Betrieb gegenüber R oder alternativ auch nur gegenüber dem Mittelwert von R, nämlich R, wie dies auch im Zusammenhang mit 4 schematisch dargestellt ist, nämlich durch die Beziehung (5): $\begin{matrix} b : = \frac{Δ R_{B e t r i e b}}{Δ R} & bzw . & b : = \frac{Δ {\bar{R}}_{B e t r i e b}}{Δ \bar{R}} \end{matrix} .$
Mit Gleichung (1) kann der optimierte Ladestrom I_Lade mit dem angepassten Innenwiderstand aus Gleichung (4) bestimmt werden, wie dies im Zusammenhang mit 5 weiter erläutert ist.
Dies ermöglicht die Bestimmung eines optimierten Ladestroms I_Lade bei minimaler Ladezeit über das gesamte Zellleben, ohne dass es zu verstärkter Zellalterung kommt und ohne dass die Überpotentialreserve der Anode nicht vollständig ausgenutzt wird.
Der Ablauf der Berechnung ist schematisch im Zusammenhang mit 7 erläutert.
Das Verfahren kann sowohl auf den Ladevorgang einer Einzelzelle 10 oder auch den Ladevorgang mehrerer Batteriezellen in Reihenschaltung angewendet werden. Dabei wird der Stromsollwert aus Gleichung (1) zum Beispiel von einem Regler, vorzugsweise als Komponente der BMS-Einheit (BMS : Batteriemanagementsystem), an das Ladegerät übergeben.
Das Verfahren wird im Zusammenhang mit den 8 und 9 weiter erläutert. Bei einer Anwendung des Verfahrens im batteriebetriebenen Elektrofahrzeug (BEV), kann das Ladegerät 40 entweder im Fahrzeug selbst oder auch in der Ladesäule verbaut sein.
Für die Anwendung des Ladekonzeptes ist es im Gegensatz zum bekannten Vorgehen nicht notwendig, Messungen an einer Experimentalzelle und/oder Referenzelektrode durchzuführen, um das Anodenpotential auf einen Wert von 0 V zu optimieren. Auch ist eine Anpassung des Ladestroms I_Lade mit fortschreitender Alterung mithilfe einfacher Messungen im Betrieb möglich. Diese Anpassung ist hilfreich, da auf Grund fortgeschrittener Alterung höhere Überspannungen U(t) zu einem stärker abgesenkten und damit zu einem potentiell negativen Anodenpotential führen können.
Einige Kernaspekte der vorliegenden Erfindung bestehen

(1) in der Angabe eines Verfahrens und/oder einer Anordnung zum Laden einer Batteriezelle 10 bzw. eines Batteriesystems 100,
(2) in der Ermittlung eines Ladestroms I_Lade durch die Verwendung hinterlegter Kennfelder und die Messung von Ist-Größen an der Batteriezelle 10 bzw. dem Batteriesystem 100,
(3) in der Ausnutzung der anodenseitigen Überpotentialreserve U(t) beim Laden und/oder
(4) im Schaffen und/oder Bereitstellen eines geschlossenen Regelkreises aus Ladegerät 40, Batteriemanagementsystem und Batteriezelle 10 bzw. Batteriesystem 100.

Die Ausführung entsprechend den 7, 8 und 9 wird bevorzugt.
Die Innenwiderstandsbestimmung kann entsprechend 6 erfolgen, alternativ wäre es möglich, einen Verbraucher zum Erzeugen des Stromprofils zu verwenden.
Zur Bestimmung des Innenwiderstandes R(t) wird in den Ausführungsformen gemäß den 7, 8 und 9 ein geschlossener Regelkreis verwendet. Bei der Ausführungsform gemäß 6 kann eine zusätzliche Komponente integriert werden.
Erfindungsgemäß stellen sich unter anderem folgende Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen ein:

(A) eine Optimierung des Ladens einer Batteriezelle 10 bzw. eines Batteriesystems 100 in Bezug auf Alterungseffekte,
(B) eine Verkürzung der Ladezeit auf ein lebensdaueroptimales Minimum,
(C) ein Entfallen von zusätzlichem Bauteilaufwand, zum Beispiel im Hinblick auf Experimentalzellen oder Referenzelektroden, und/oder
(D) eine Einführung eines auf dem anodenseitigen Überpotential basierenden Ladeverfahrens.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: (erste) Ladeleitung
2: (zweite) Ladeleitung
10: Batterieeinheit
11: (erster) Anschluss
12: (zweiter) Anschluss
13: Sensor
20: Graph (Überpotentialreserve)
21: Abszisse
22: Ordinate
23: Spur
25: Graph (Innenwiderstand bei Alterung)
26: Abszisse
27: Ordinate
28-1: Spur
28-2: Spur
28-3: Spur
29: Alterung ansteigend
30: Graph (Proportionalitätsfaktor)
31: Abszisse
32: Ordinate
33: Spur
34: Messpunkte
35: Graph (Ladestrom bei Alterung)
36: Abszisse
37: Ordinate
38-1: Spur
38-2: Spur
38-3: Spur
39: Innenwiderstand R(t) ansteigend
40: Ladeeinheit
41: (erster) Anschluss
42: (zweiter) Anschluss
45: Regler
46: Batteriemanagementsystem
50: Steuereinheit
51: (erste) Signalleitung
52: (zweite) Signalleitung
53: Steuerleitung
54: Erfassungs- und Steuerleitung
60: Graph (Strompuls)
61: Abszisse
62: Ordinate
63: Spur
65: Graph (Spannungsantwort)
66: Abszisse
67: Ordinate
68: Spur
100: Batteriesystem
110: Ladesystem
S: Verfahren zum Steuern
S0: Abfrageladebedingung
S1: Bestimmen aktueller Wert Überpotentialreserve U(t) der Anode
S2: Bestimmen aktueller Wert Innenwiderstand R(t) der Batterieeinheit 10
S3: Bestimmen Quotient
S4: Einstellen Ladestrom I_Lade (t)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112010005906 T5 [0003]
DE 10201320450720 A1 [0004]
DE 102015111195 A1 [0005]

Claims

Verfahren (S) zum Steuern des Ladens einer Batterieeinheit (10), mit den Schritten: (i) Bestimmen (S1) eines aktuellen Werts einer Überpotentialreserve (U(t)) einer Anode der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10), (ii) Bestimmen (S2) eines aktuellen Werts eines Innenwiderstands (R(t)) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10), (iii) Bestimmen (S3) eines Werts eines Quotienten aus dem aktuellen Wert der Überpotentialreserve U(t) und dem aktuellen Wert des Innenwiderstands R(t) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10) und (iv) Einstellen (S4) einer Stärke und/oder eines zeitlichen Verlaufs zumindest eines Ladestroms I_Lade(t) entsprechend dem Wert des Quotienten gemäß der Beziehung (I) $I_{L a d e} (t) : = \frac{U (t)}{R (t)} .$
Verfahren (S) nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte (i) bis (iv) in Echtzeit - solange eine Ladebedingung erfüllt ist - derart wiederholt ausgeführt werden, dass ein aktueller Wert des Ladestroms (I_Lade(t)) während eines Ladevorgangs an aktuelle Werte der Überpotentialreserve (U(t)) und des Innenwiderstands (R(t)) der zu Grunde liegenden Batterieeinheit (10) angepasst wird, ist und/oder bleibt.
Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein aktueller Wert der Überpotentialreserve (U(t)) direkt aus einer Spannungsmessung und/oder durch direktes Messen eine Anodenspannung einer Anode der Batterieeinheit (10) unter der Bedingung eines offenen Batteriekreises bestimmt wird.
Verfahren (S) nach Anspruch 3, bei welchem ein aktueller Wert der Überpotentialreserve (U(t)) wird durch direktes Messen der elektrischen Spannung einer Halbzellanode der Batterieeinheit (10) im Gleichgewicht gegenüber einer Lithiumelektrode bestimmt.
Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Wert des Innenwiderstandes (R(t)) direkt aus einer Strommessung und einer Spannungsmessung und/oder durch Anlegen und gegebenenfalls Messen eines Pulses konstanten Stroms an die Batterieeinheit (10) und Messen einer Spannungsantwort der Batterieeinheit (10) bestimmt wird.
Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Wert des Innenwiderstandes (R(t)) auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen dem Verlauf einer im Gleichgewicht erfassten Leerlaufspannung der Batterieeinheit (10) und einer Ladekurve bestimmt wird.
Verfahren (S) nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem ein Wert des Innenwiderstandes (R(t)) auf der Grundlage eines Werts Innenwiderstands (R_Betrieb(t)) im Betrieb zum aktuellen Zeitpunkt, eines Werts des Innenwiderstands (R_Betrieb,BoL) im Betrieb zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit (10) und eines Werts des Innenwiderstands (R_BOL) zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit (10) bestimmt wird.
Verfahren (S) nach Anspruch 7, bei welchem ein Wert des Innenwiderstandes (R(t)) bestimmt wird auf der Grundlage der Beziehung (II) $R (t) = R_{B o L} + b \cdot (R_{B e t r i e b} (t) - R_{B e t r i e b, B o L}),$
wobei R(t) den zu bestimmenden Wert des Innenwiderstands, R_Betrieb(t) einen Wert des Innenwiderstands im Betrieb zum aktuellen Zeitpunkt t, R_Betrieb,BoL einen Wert des Innenwiderstands zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit (10), R_BoL einen Wert des Innenwiderstands zum Zeitpunkt der absoluten Inbetriebnahme der Batterieeinheit (10) und b eine Proportionalitätskonstante bezeichnen.
Verfahren (S) nach Anspruch 8, bei welchem die Proportionalitätskonstante b bestimmt wird gemäß der Beziehung (III) $\begin{matrix} b : = \frac{Δ R_{B e t r i e b} (t)}{Δ R} & bzw . & b : = \frac{Δ {\bar{R}}_{B e t r i e b} (t)}{Δ \bar{R}} \end{matrix},$
nämlich als Quotient der Änderung des Werts des im Betrieb aktuell gemessenen Innenwiderstands R_Betrieb(t) gegenüber der Änderung ΔR des Werts des Innenwiderstands R oder alternativ gegenüber der Änderung ΔR des Mittelwerts R des Innenwiderstands von R.
Verfahren (S) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein aktueller Wert der Überpotentialreserve (U(t)) und/oder ein aktueller Wert des Innenwiderstandes (R(t)) der Batterieeinheit (10) indirekt durch Auslesen von Werten aus einer Ablesetabelle mit Adressierung über aktuell gemessene Betriebsparameter der Batterieeinheit (10) bestimmt werden.
Verfahren (S) nach Anspruch 10, bei welchem als aktuell gemessene Betriebsparameter zum Adressieren des Auslesens aus einer Ablesetabelle Werte ein oder mehrerer Größen aus einer Gruppe von Größen verwendet werden, welche einen Ladezustand (SoC) der Batterieeinheit (10), eine Ladezeit (t) an der Batterieeinheit (10), einen Ladestrom der Batterieeinheit (10), eine Lebensdauer der Batterieeinheit (10), einen Druck der Batterieeinheit (10) und eine Temperatur (T) der Batterieeinheit (10) aufweist.
Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit (10), mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines Ladestroms (I_Lade) und (b) Beaufschlagen der Batterieeinheit (10) mit dem Ladestrom (I_Lade), wobei der Ladestrom (I_Lade) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingestellt wird.
Steuereinheit (50) zum Steuern des Ladens und/oder eines Ladestroms (I_Lade) zum Laden einer Batterieeinheit (10), welche eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, und/oder welche als Batteriemanagementsystem oder als Teil davon ausgebildet ist.
Ladesystem (110) zum Laden einer Batterieeinheit (10), - welches eingerichtet ist, mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet und/oder gesteuert zu werden und/oder bei einem Verfahren nach Anspruch 12 verwendet zu werden und/oder ein derartiges Verfahren auszuführen und/oder - welches (I) eine mit der Batterieeinheit (10) verbindbare Ladeeinheit (40), welche zum Bereitstellen eines Ladestroms (I_Lade) und zum Beaufschlagen der Batterieeinheit (10) mit dem Ladestrom (I_Lade) ausgebildet ist, und (II) eine Steuereinheit (50) nach Anspruch 13 zum Steuern des Betriebs der Ladeeinheit (40) aufweist.
Batteriesystem (100), mit - mindestens einer Batterieeinheit (10) und - einem Ladesystem (110) nach Anspruch 14, welches zum steuerbaren Laden der Batterieeinheit (10) und zur steuerbaren elektrischen Verbindung mit der Batterieeinheit (10) eingerichtet ist.
Arbeitsvorrichtung mit - einem elektrisch antreibbaren Aggregat und - einem Batteriesystem (100) nach Anspruch 15, welches zur steuerbaren Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb eingerichtet ist.